Microfotoniek ontmoet micro-elektronica

Reinraum medewerker bij Fraunhofer THM tijdens het plaatsen van een wafer in de transferkamer van een depositie-/Etcluster voor de structuurering met behulp van atomlagendepositie. © Daniel Karmann / Fraunhofer IISB

Optische Ringresonator met een diameter van 200 μm op SiC-substraat. © Pascal Del’Haye / MPL

Doorsnede van een fotonische structuur in siliciumcarbide (SiC op isolator, SiCOI). © Pascal Del’Haye / MPL

Siliciumcarbide (SiC) is een veelbelovend materiaalsysteem voor fotonische geïntegreerde schakelingen (PICs) en geminiaturiseerde vaste-fase-kwantensystemen. In het project ALP-4-SiC – Atomlagenproces voor SiC voor toepassingen in de fotonica en kwantumcommunicatie – ontwikkelen onderzoekers van het Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) en het Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB gezamenlijk basistechnologieën voor de fabricage van hoogefficiënte fotonische schakelingen. Aan de hand van lichtgeleiders en ringresonatoren wordt gedemonstreerd hoe met behulp van atomlagenproces (ALP) de optische eigenschappen van fotonische componenten uit SiC aanzienlijk kunnen worden verbeterd. ALP-4-SiC wordt voor 100% gefinancierd door het Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) binnen het kader van de maatregel 'Wetenschappelijke Voorprojecten' (WiVoPro).

Ze zijn de ster onder de toekomstige technologieën: kwantumsystemen. Vooral grote hightechbedrijven en institutionele investeerders wereldwijd zijn een ware wedloop begonnen om fenomenen uit de kwantummechanica uit de onderzoekslaboratoria in bredere praktische toepassingen te brengen. Vooral op het gebied van informatieverwerking, sensortechniek en communicatie worden vandaag al veranderingen zichtbaar die hele bedrijfstakken en samenlevingen duurzaam zullen veranderen.

Technologisch gezien kunnen kwantumsystemen het beste worden beschreven als een combinatie van kwantumfysica, fotonica en elektronica. Het populairste voorbeeld hiervan is ongetwijfeld de kwantumcomputer. Huidige kwantumsystemen lijken nog sterk op ingewikkelde opto-elektronische laboratoriumopstellingen en er wordt een enorme technische inspanning geleverd voor het genereren, manipuleren en verwerken van kwantumtoestanden. Naast de complexiteit en de enorme omvang is ook de benodigde koeling een beperkende factor, omdat veel van de momenteel beschikbare oplossingen alleen bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt functioneren.

De integratie van kwantumtechnologieën in marktklare producten en diensten vereist daarom nog aanzienlijke inspanningen op het gebied van fundamenteel onderzoek en ontwikkeling van essentiële basistechnologieën. Eveneens ontbreekt voor een economische realisatie van praktische kwantumsystemen een uniforme en toekomstbestendige materiaallatform, die fundamentele vooruitgang zou mogelijk maken op het gebied van miniaturisering, prestatieverbetering en kostenreductie.

Robuust, aansluitbaar, kwantumgeschikt: siliciumcarbide als kwantum-sleutelmateriaal

Vanwege zijn bijzondere fysische eigenschappen biedt het halfgeleermateriaal siliciumcarbide (SiC) zich aan als een veelbelovende technologische platform voor vaste-fase-kwantumsystemen. SiC is een halfgeleider met een grote bandgap (Engels: Wide-Bandgap, kort WBG) en heeft zich de afgelopen jaren vooral in de vermogenselektronica gevestigd. SiC is ook zeer aantrekkelijk voor de ontwikkeling van fotonische microsystemen en fotonisch geïntegreerde schakelingen (Engels: Photonic Integrated Circuits, kort PICs), omdat in dit materiaal zowel optische componenten als lichtbronnen en sensoren kunnen worden vervaardigd. Daarnaast is SiC interessant voor niet-lineaire optische effecten, waarmee de kleur van laserlicht kan worden aangepast, bijvoorbeeld om infraroodlicht zeer efficiënt om te zetten in zichtbaar licht. Met de mogelijkheid om puntdefecten te integreren in de vorm van zogenaamde kleurnetwerken, die tot kamertemperatuur functioneren, biedt SiC perspectief voor de directe integratie van kwantumfunctionaliteit. 'Hiermee is siliciumcarbide een allroundtalent voor fotonica, elektronica en kwantumtoepassingen,' legt Dr. Pascal Del’Haye uit, die het projectdeel aan het Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts leidt.

In SiC zouden dus alle elementen die nodig zijn voor de opbouw van krachtige, geminiaturiseerde kwantumsystemen kunnen worden afgebeeld. Het is zowel aansluitbaar op de micro-elektronica als op de microfotonica en biedt bovendien geheel nieuwe kwantelektronische functies. Omdat SiC compatibel is met de goed beheersbare CMOS-processen van de klassieke siliciumtechnologie, zou het zich uitstekend lenen voor de industriële massaproductie van kwantum-PICs.

De optimalisatie van eerste microfotonische componenten baant de weg naar de SiC-kwantumchip

Het is een lange weg tot de opto-elektronische kwantumchip en het onderzoek bevindt zich hier nog meer of minder in de kinderschoenen. Voor de opbouw van PICs zijn eerst gestandaardiseerde microfotonische componenten nodig met minimale optische verliezen. Essentieel hierbij zijn lichtgeleiders en ringresonatoren, die licht in kleinste structuren efficiënt kunnen geleiden of opslaan. Terwijl lichtgeleiders de functie van verliesvrije optische geleidingen overnemen, bestaan resonatoren uit kleine ringen waarin het binnenkomende licht tot wel een miljoen omwentelingen maakt. De hiermee behaalde photonenspeeltijden maken het mogelijk om deze componenten op te laden met hoge circulerende optische vermogens, wat een breed scala aan niet-lineaire optische effecten mogelijk maakt. Zo kunnen de microresonatoren laserlicht met een bepaalde golflengte omzetten in een optisch frequentiekamp, oftewel in een lichtbron met meerdere discrete frequenties, wat bijvoorbeeld kan worden gebruikt voor zeer snelle parallelle gegevensoverdracht in telecommunicatienetwerken.

Een ander nuttig effect is de interactie van tegenlijdend licht. De niet-lineaire optische koppeling van tegenlijdend licht in ringresonatoren leidt tot een spontane symmetriebreuk, waardoor de lichtcirculatie slechts nog in één richting, dus met of tegen de klok in, wordt toegestaan. Hiermee kunnen bijvoorbeeld chipgeïntegreerde optische diodes, fotonische schakelaars of optische sensoren worden gerealiseerd, die de opbouw van complexere fotonische systemen mogelijk maken.

De kwaliteit van de op SiC-ondergronden vervaardigde fotonische componenten is echter nog niet optimaal en de relatief hoge oppervlakruwheid veroorzaakt optische verliezen in de waveguides en resonatoren. Om dat de fotonen zich snel kunnen bewegen en niet naar buiten kunnen tunnelen, zijn foutvrije oppervlakken vereist. Een veelbelovende oplossingsrichting is het gladmaken van de componentoppervlakken door atomlagenprecies etsen (Engels: Atomic Layer Etching, kort ALE), zodat goed afgelijnde scheidingsvlakken ontstaan en verlies- en verstrooiingscentra worden geminimaliseerd.

Brug tussen fundamenteel onderzoek en procesontwikkeling in het project ALP-4-SiC

Om een nieuwe fabricageproces voor complexe fotonische componenten op basis van siliciumcarbide te ontwikkelen, moeten fundamenteel onderzoek en toepassingsgericht onderzoek nauw samenwerken. In het project ALP-4-SiC – Atomlagenproces voor SiC voor toepassingen in de fotonica en kwantumcommunicatie – bundelen het MPL in Erlangen en het Fraunhofer IISB met zijn locatie Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg hun expertise. Het MPL beschikt over uitgebreide ervaring in het ontwerp en de karakterisering van fotonische componenten, terwijl het IISB zijn expertise in SiC-halfgeleidertechnologie en atomlagenprocesvoering inbrengt.

De nieuwe aanpak van de integratie van atomlagen-gebaseerde processen voor fotonische componenten met aanzienlijk verbeterde optische eigenschappen heeft een hoog potentieel voor de toekomstige commercialisering van geïntegreerde fotonische componenten. Op middellange termijn zouden vooral fabrikanten van ALE-processen nieuwe klantengroepen kunnen aanboren en kunnen aanbieders van fotonica zich met innovatieve producten positioneren in een snelgroeiende markt. De langetermijneffecten van de beschikbaarheid van een universeel, praktijkgericht en schaalbaar technologieplatform voor geïntegreerde kwantumopto-elektronische schakelingen op SiC-basis kunnen daarentegen vandaag de dag nog niet worden ingeschat.

Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL)

Het Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) bestrijkt een breed onderzoeksgebied, waaronder niet-lineaire optiek, kwantumoptiek, nanofotoniek, fotonische kristalvezels, optomechanica, kwantumtechnologieën, biophysica en – in samenwerking met het Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin – verbindingen tussen fysica en geneeskunde. Het MPL werd opgericht in januari 2009 en is een van de meer dan 80 instituten van de Max-Planck-Gesellschaft die fundamenteel onderzoek in natuur-, biologie-, geestes- en sociale wetenschappen verrichten ten dienste van de samenleving.

Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM

Het Fraunhofer-Technologiezentrum Hochleistungsmaterialien THM in Freiberg, Saksen, is een onderzoeks- en transferplatform van het Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB en het Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS. Gezamenlijk worden halfgeleider- en energiematerialen naar nieuwe toepassingen overgebracht en wordt tegelijkertijd stoffelijk recycling in overweging genomen en ontwikkeld. De kernactiviteiten van het Fraunhofer THM zijn de analyse en ontwikkeling van duurzame batterijsystemen met een verbeterde ecobalans en grondstoffbeschikbaarheid, evenals het onderzoek en de evaluatie van innovatieve halfgeleiderelementen en de bijbehorende processtappen.

Subsidietip

Het project ALP-4-SiC – Atomlagenproces voor SiC voor toepassingen in de fotonica en kwantumcommunicatie – wordt gefinancierd binnen het kader van het programma 'Wetenschappelijke Voorprojecten' (WiVoPro) van het Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR). De door het BMFTR met deze maatregel gefinancierde projecten onderzoeken wetenschappelijke vragen met het oog op toekomstige industriële toepassingen. Ze kunnen worden uitgevoerd door maximaal twee onderzoeksinstellingen en moeten de kloof overbruggen tussen fundamenteel onderzoek en industriegedreven collectieve financiering.